ПЛАНАРНЫЙ СИЛОВОЙ МОП ТРАНЗИСТОР С БЛОКИРУЮЩИМ ЕМКОСТЬ СТОКА БАРЬЕРОМ ШОТТКИ Российский патент 2004 года по МПК H01L29/78 

Изобретение относится к полупроводниковой силовой электронике, полупроводниковым приборам - униполярным транзисторам с полевым эффектом, создаваемым изолированным затвором.

В некоторых схемах, например, мультиплексных, работающих на длинную линию, силовые ключи соединяются параллельно и соответственно параллельно включаются выходные емкости МОП-транзисторов, используемых в качестве ключа. Величина выходной емкости МОП-транзисторов определяется в основном емкостью pn-перехода стока относительно подложки. Для достижения больших пробивных напряжений МОП-транзистора в силовых ключах создаются полупроводниковые приборы - планарные МОП-транзисторы с повышенным пробивным напряжением за счет введения дополнительных слаболегированных областей по краям стока, так, как описано в патенте /1/. Эти области увеличивают площадь pn-перехода сток-подложка и соответственно их площади увеличивается емкость стока транзистора. Для работы на высоких частотах необходимо уменьшать емкости транзисторов.

Уменьшение емкости МОП-транзисторов проводится обычно за счет введения различными способами диэлектрических слоев в структуру МОП-транзистора. Так, в патенте /2/ уменьшение емкости стока и истока МОП-транзистора предлагалось осуществить, вводя изолирующие прослойки под области истока и стока, отделяющие области стока от подложки или как в патенте /3/, вводя диэлектрическую подложку под весь прибор. В патенте /4/ уменьшение емкости затвора МОП-транзисторов предлагалось проводить за счет разной толщины диэлектрика под затвором над активным каналом и над стоком. В патенте /5/ предлагается уменьшать емкости за счет введения дополнительных областей стока и истока.

Предложения по поводу введения диодов Шоттки в МОП-транзисторы известны из ряда источников /6-12/, но эти предложения не предназначаются для уменьшения емкости стока. В статье /6/ предлагалось изготовить оба электрода истока и стока в виде диодов Шоттки, а не диффузионных областей. В патенте /7/ предлагается вводить диоды Шоттки в силовые ДМОП-транзисторы варианта ИЖБТ для ограничения инжекции из контакта к подложке. Имеются сведения в /8/ по поводу уменьшения времени выключения силовых ДМОП-транзисторов варианта ИЖБТ объемной конструкции при введении диода Шоттки в сток (SINFET) за счет ограничения инжекции в стоке. В работах /9/, /10/ более подробно разбирается функционирование SINFET транзисторов. В работе /11/ рассматривается механизм работы МОП-транзисторов при введении диода Шоттки в исток транзистора с целью увеличения инжекции горячих электронов. В патенте /12/ предлагается для ограничения инжекции в силовом ДМОП-транзисторе из контакта к подложке в режиме работы биполярного транзистора с инжекцией, управляемой изолированным затвором (ИЖБТ), изготовить сплавной контакт к подложке - стоку или сверху подложки или по всей нижней стороне подложки.

Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является МОП-транзистор на диэлектрической подложке /3/. В качестве диэлектрика используются монокристаллы сапфира или окисные слои на монокристаллах кремния. Этот прибор удорожает производство силовых МОП-транзисторов и высоковольтных интегральных схем на МОП-транзисторах.

Цель изобретения - уменьшение выходной емкости планарного силового МОП-транзистора.

Предлагается на контакте к стоку сформировать область, обеспечивающую образование барьера Шоттки с площадью, значительно меньшей (<10 раз) площади pn-перехода сток-подложка. При этом емкость барьера Шоттки включается последовательно с емкостью сток-подложка, что приводит к уменьшению выходной емкости стока МОП-транзистора.

Суть изобретения состоит в создании области с барьером Шоттки на контакте к стоковой диффузионной области силового планарного МОП-транзистора с площадью значительно меньшей (по крайней мере в 10 раз) относительно площади диффузионной стоковой области, включая площадь пинч-резисторной части стока, так что относительно большая выходная емкость стока блокируется малой емкостью барьера Шоттки.

На фиг.1 представлена структура планарного силового МОП-транзистора с областью, создающей барьер Шоттки в контакте к стоку, последовательность изготовления прибора представлена на фиг.2, топология силового МОП-транзистора дана на фиг.3, эквивалентная схема емкостей планарного силового МОП транзистора с барьером Шоттки между стоком и контактом к стоку приведена на фиг.4.

На фиг.1 дано поперечное сечение планарного силового МОП-транзистора с барьером Шоттки между стоком и контактом к стоку прибора, где силовой планарный МОП-транзистор изготавливается на монокристаллической подложке (1) с главной поверхностью (2) и обратной стороной (3); управляющий электрод (4) изолирован от поверхности (2) тонким подзатворным диэлектриком (5) и толстым диэлектриком (6); первый проводящий электрод истока (7) находится на поверхности (2) и контактирует с истоковой диффузионной областью (10), расположенной в подложке (1); первый проводящий электрод истока (7) формирует с истоковой диффузионной областью (10) омический контакт; второй проводящий электрод стока (8) также находится на поверхности (2) над стоковой диффузионной областью (12), расположенной в подложке; второй проводящий электрод (8) формирует со стоковой диффузионной областью (12) выпрямляющий контакт - барьер Шоттки; около истоковой диффузионной области (10) в подложке (1) формируется область (9) с повышенной концентрацией примеси для исключения смыкания объемных зарядов от pn-переходов истока и стока; между областями (9) и (12) в подложке формируется область пинч-резистора (11), имеющая одинаковый со стоковой диффузионной областью (12) тип проводимости и за счет малого уровня легирования область пинч-резистора (11) повышает пробивное напряжение стока при закрытом транзисторе и обеспечивает проводимость транзистора в открытом состоянии.

На фиг.2 представлена поэтапная последовательность операций формирования силового планарного МОП-транзистора с диодом Шоттки в стоке.

Для определенности считаем, что подложка имеет р-тип проводимости.

а) Формирование области пинч-резистора (11) n-типа

б) Формирование области толстого диэлектрика (6) над областью пинч-резистора (11). В качестве диэлектрика может использоваться оксид кремния, который может формироваться по методу LOCOS. Также формируется область охраны (9) р-типа.

в) Формирование ионным легированием и диффузией стоковой диффузионной области (12).

г) Формирование области тонкого подзатворного диэлектрика (5) и управляющего электрода (4)

д) Формирование сильнолегированной истоковой диффузионной области (10), омического контакта первого проводящего электрода (7) к истоковой диффузионной области (10) и контакта второго проводящего электрода (8) к стоковой диффузионной области (12) в виде барьера Шоттки. Формирование контакта второго проводящего электрода (8) к стоковой диффузионной области (12) в виде барьера Шоттки обеспечивается либо с использованием дополнительного подлегирования стоковой диффузионной области (12) примесью р-типа для компенсации примеси в области на поверхности около контакта за счет ионного внедрения примеси; либо одно из легировании стока - последнее проводится с таким уровнем легирования, что при нанесении на специально обработанную для исключения образования на поверхности кремния окисла поверхность сплава алюминия с кремнием образуется барьер Шоттки; либо за счет нанесения на контактное окно к стоковой области слоя другого металла, например олова.

На фиг.3 приведена топология планарного силового МОП транзистора с барьером Шоттки между стоком и контактом к стоку прибора.

Планарный силовой МОП-транзистор с рабочим напряжением 100 В представляет собой кольцевую структуру с управляющим электродом (4) восьмигранной формы из поликристаллического кремния. Общая площадь стоковой диффузионной области (12) и области пинч-резистора (11) (данные области расположены внутри кольца управляющего перехода (4)) равна 50 мкм², при площади второго проводящего электрода (8) (в виде барьера Шоттки) к стоковой диффузионной области (12), равной 4 мкм². Область пинч-резистора располагается внутри кольца управляющего электрода (4) под областью толстого диэлектрика (6).

Вне кольца управляющего электрода (4) располагается истоковая диффузионная область (10) и первый проводящий электрод (7) (в виде омического контакта).

На фиг.4 представлена эквивалентная схема емкостей планарного силового МОП транзистора с барьером Шоттки между стоковой диффузионной областью (12) (стоком) и вторым проводящим электродом (8) (контактом к стоку).

Входная емкость Свх=C_4-1+C_4-10-7 образуется из емкостей между управляющим электродом (4) (затвором) и подложкой (1) - C_4-1 и между управляющим электродом (4) и истоковой диффузионной областью (10) - С_4-10-7. Выходная емкость Свых=C_12-11-1*C_8-12/ C_12-11-1+C_8-12 образуется из емкостей между стоковой диффузионной областью (12), областью пинч-резистора (11) и подложкой (1) - C_12-11-1 и включенной последовательно емкости диода Шоттки C_8-12 между вторым проводящим электродом (8) к стоковой диффузионной области (12) и непосредственно стоковой диффузионной областью (12). Проходная емкость C_4-11-12 образуется между управляющим электродом (4), областью пинч-резистора (11) и стоковой диффузионной областью (12).

Мощные планарные силовые МОП транзисторы с рабочим напряжением 100 В для обеспечения работы на больших токах составляется из большого количества включенных в параллель отдельных транзисторов, представленных на фиг.3. Так для рабочего тока 2 А объединяется 2048 ячеек. Емкость p-n перехода сток-подложка С_12-11-1 таких транзисторов имеет величину 90 пФ, а емкость диодов Шоттки C_8-12 равна 5 пФ, так что выходная емкость мощного планарного силового МОП-транзистора с диодами Шоттки в стоковой области на рабочее напряжение 100 В и рабочий ток 2 А составляет величину 4,7 пФ.

В открытом состоянии МОП-транзистора на сток подано положительное напряжение, поэтому диод Шоттки открыт и пропускает ток. Обычно на диоде Шоттки происходит падение напряжения порядка 0,3 В. Это падение напряжения увеличивает сопротивление открытого прибора на малых рабочих токах. При больших токах динамическое сопротивление диода мало и не оказывает существенного влияния на работу транзистора. В закрытом состоянии МОП-транзистора напряжение на стоке близко к напряжению на истоке, поэтому через диод Шоттки ток не протекает.

Работа МОП-транзистора при переключении зависит от емкостей, указанных на фиг. 4. Поэтому уменьшение выходной емкости планарного силового МОП-транзистора с барьером Шоттки позволяет повысить быстродействие прибора. Введение барьера Шоттки в сток планарного силового МОП-транзистора позволило в схеме мультиплексора на 32 канала повысить быстродействие с 500 кГц до 4 МГц. Предложенная конструкция планарного силового МОП-транзистора с барьером Шоттки в стоке, имеющая по технологии одно отличие от принятой технологии изготовления, а именно формирование области контакта Шоттки к стоку, гораздо проще, чем известные конструкции планарного силового МОП-транзистора на диэлектрической подложке.

Изготовленные образцы планарного силового МОП-транзистора с барьером Шоттки в контакте к стоку позволили уменьшить выходную емкость в 18 раз.

Источники информации

1. Патент США US 5132753.

2. Патент Европы ЕР 0077773.

3. Патент США US 4665416 - прототип.

4. Патент США US 5179032.

5. Патент Японии JP 2000260980 20000922.

6. SB-IGFET: An Insulated-Gate Field -Effect Transistor Using Schottky Barrier Contact as Source and Drain / M.P.Lepselter, S.M.Sze // Proc. IEEE, 58, p.1088, 1968.

7. Sakurai et al., Power MOSFETs having Shottky Barrier Drain Contact, Int'1 Symposium on Power Semiconductor Devices & Ics, Tokyo 1990, pp.126-130.

8. Sin et al., The SINFET: A New High Conductance, High Switching Speed MOS-Gated Transistor, Electronic Letters, Nov, 1985, p.1124.

9. Sin et al., Analysis and Caracterization of the n-Canal Hybrid Shottky Injection Field Effect Transistor, IEDM 86-9.4, pp.222-225.

10. Sin et al., Analysis and Caracterization of the Hybrid Shottky Injection Field Effect Transistor, IEEE Trans. Electron Devices, 1989, v.36, №5, pp.993-1000.

11. Повышение скорости генерации горячих дырок в Шоттки - истоке МОП-транзисторов. Appl. Phys. Lett., 2000, v.76, №26, pp.3992-3994.

12. Патент США US 5589408.

Использование: в полупроводниковой силовой электронике, при конструировании полупроводниковых приборов - униполярных транзисторов с полевым эффектом, создаваемым изолированным затвором. Сущность изобретения: в планарном силовом МОП-транзисторе в стоковой диффузионной области создается область с барьером Шоттки с площадью значительно меньшей, по крайней мере в 10 раз, относительно площади диффузионной стоковой области, так что относительно большая выходная емкость стока блокируется малой емкостью барьера Шоттки. Техническим результатом изобретения является уменьшение выходной емкости планарного силового МОП транзистора. 4 ил.

Планарный силовой МОП-транзистор с блокирующим емкость стока барьером Шоттки, содержащий монокристаллическую подложку, управляющий электрод, изолированный от подложки диэлектриком, первый проводящий электрод истока, контактирующий с истоковой диффузионной областью, расположенной в подложке, второй проводящий электрод стока, находящийся над стоковой диффузионной областью, расположенной в подложке, область с повышенной концентрацией примеси около истоковой области, диффузионную область в подложке, имеющую одинаковый со стоковой диффузионной областью тип проводимости, отличающийся тем, что между вторым проводящим электродом стока и стоковой диффузионной областью сформирована область с барьером Шоттки с площадью, значительно меньшей (по крайней мере в 10 раз) относительно площади диффузионной стоковой области, создающая барьер Шоттки на их контакте с емкостью, блокирующей емкость стока.